典型操作单元的控制精馏塔的控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所浙江大学信息学院控制系
2000/12/04
内 容
引 言
精馏塔的控制目标
精馏塔的静态特性
精馏塔质量指标的选取
精馏塔的基本控制方案
精馏塔的其它控制方案
结 论连续精馏装置的工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的,
通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。
操作代价,
消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔底需要冷却使塔顶组分冷凝；
精馏塔的控制目标
质量指标对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。
产品产量和能量消耗在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的产品并设法降低装置的能耗。
精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系
120
100
80
60
40
20
0
80 90 95 98 99 9 9,5 9 9,8
产品回收率
*100%
产品纯度* 1 0 0 %
2=
F
V
4 6 8
产品回收率,
进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；
能耗指标,
用单位进料的塔底上升蒸气量 V/F来表示 ；
定性规律：若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越高。
精馏塔的静态特性F,x F
V
B,x
B
D,x
D
BDF?=
总与轻组分的物料平衡方程：
BDF BxDxFx?=
能耗与分离度 S的关系：
==
)1(
)1(lnln
DB
BD
xx
xxS
F
V
BD
FD
BD
BF
xx
xx
F
B
xx
xx
F
D
=
= 或结论,对于给定的进料，若 D/F和 V/F保持一定，则该塔的分离结果 xD,xB就完全确定。
精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量 D
回流量 R
塔底采出量 B
再沸器上升蒸汽量 V
冷凝器冷却量 Q
C
塔顶汽相采出量 D
V
塔顶产品纯度 x
D
塔底产品纯度 x
B
塔底液位 L
B
回流罐液位 L
R
塔顶压力 P
外部扰动
(进料的流量,组成与温度等)
操作变量/控制变量 被控变量精馏塔质量指标的选取
直接质量指标
（ 1）产品质量在线分析仪 / 软测量仪
间接质量指标 *
（ 1） 灵敏板温度,与塔顶 /塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；
（ 2） 温差信息,与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；
（ 3） 双温差信息,可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶 /塔底产品纯度均适中。
精馏塔的压力控制
F
L
D
PC
F
L
D
PC
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P 冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
精馏塔物料平衡与质量控制问题精馏塔塔顶采出量 D
回流量 R
塔底采出量 B
再沸器上升蒸汽量 V
精馏段灵敏板温度 T
D
塔底液位 L
B
回流罐液位 L
R
外部扰动
(进料的流量,组成与温度等)
操作变量/控制变量 被控变量提馏段灵敏板温度
T
B
* 考虑被控过程的静态与动态特性，结合 就近原则,
可将控制问题分解简化为两个 相对 独立的子系统。
按精馏段指标的控制方案
被控变量,
TD,LR,LB (即只对塔顶产品质量指标进行控制；
而对塔底产品质量指标不作严格要求 )
控制变量,
D,R,B (而保持再沸器加热量 V为定值 )
控制结构
（ 1）方案 1,B — LB,D — LR,R — TD；
（ 2）方案 2,B — LB,R — LR,D — TD。
精馏段控制方案之一
D
LC
TC
F
B
LC
FC
FC
精馏段控制方案之二
D
LC
F
B
LC
FC
FC
TC
按提馏段指标的控制方案
被控变量,
TB,LB,LR (即只对塔底产品质量指标进行控制；
而对塔顶产品质量指标不作严格要求 )
控制变量,
V,B,D (而保持回流量 R为定值 )
控制结构
（ 1）方案 1,D — LR,B — LB,V — TB；
（ 2）方案 2,D — LR,V — LB,B — TB。
提馏段控制方案之一
D
LC
TC
F
B
LC
FCFC
提馏段控制方案之二
D
LC
F
B
LC
FC
FC
TC
按塔顶塔底两端质量指标控制
被控变量,TD,TB,LR,LB (即同时对塔顶 /
塔底产品质量指标进行控制 )
控制变量,R,V,D,B
对象特性,
=
B
D
V
R
L
L
T
T
B
R
B
D
*0**
0***
00**
00**
控制结构：
R —— TD
V —— TB
D —— LR
B —— LB
两端质量指标控制系统
TC
F
B
TC
T
B
T
D
R
V
V
1
V
2
控制方案
（ 1）若相互耦合不严重，
则可通过调节器参数的整定，使相关回路的工作频率拉开以减少关联；
（ 2）若耦合严重，则可考虑静态解耦或其他先进控制方法：变结构控制、
预测控制等。
精馏塔多回路控制系统精馏塔解耦控制系统精馏塔的其他控制方案
内回流控制,为克服冷回流返塔温度对精馏塔产品质量的影响，可采用内回流的计算指标控制；
进料热焓控制，
以克服进料温度与进料状态对产品质量的影响；
进料前馈反馈控制,
以适应进料量的变化，并提高控制质量；
浮动塔压控制,尽可能降低塔压，以节约能耗；但应相应改变灵敏板温度控制的设定，以保证产品合格。
产品质量指标的“卡边”控制,
关键技术,在线分析仪 (软测量仪 ) + 先进控制系统前馈反馈控制系统
D
F
B
FC ×
FC
TC
TC
×
2000/12/04
内 容
引 言
精馏塔的控制目标
精馏塔的静态特性
精馏塔质量指标的选取
精馏塔的基本控制方案
精馏塔的其它控制方案
结 论连续精馏装置的工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的,
通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。
操作代价,
消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔底需要冷却使塔顶组分冷凝；
精馏塔的控制目标
质量指标对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。
产品产量和能量消耗在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的产品并设法降低装置的能耗。
精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系
120
100
80
60
40
20
0
80 90 95 98 99 9 9,5 9 9,8
产品回收率
*100%
产品纯度* 1 0 0 %
2=
F
V
4 6 8
产品回收率,
进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；
能耗指标,
用单位进料的塔底上升蒸气量 V/F来表示 ；
定性规律：若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越高。
精馏塔的静态特性F,x F
V
B,x
B
D,x
D
BDF?=
总与轻组分的物料平衡方程：
BDF BxDxFx?=
能耗与分离度 S的关系：
==
)1(
)1(lnln
DB
BD
xx
xxS
F
V
BD
FD
BD
BF
xx
xx
F
B
xx
xx
F
D
=
= 或结论,对于给定的进料，若 D/F和 V/F保持一定，则该塔的分离结果 xD,xB就完全确定。
精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量 D
回流量 R
塔底采出量 B
再沸器上升蒸汽量 V
冷凝器冷却量 Q
C
塔顶汽相采出量 D
V
塔顶产品纯度 x
D
塔底产品纯度 x
B
塔底液位 L
B
回流罐液位 L
R
塔顶压力 P
外部扰动
(进料的流量,组成与温度等)
操作变量/控制变量 被控变量精馏塔质量指标的选取
直接质量指标
（ 1）产品质量在线分析仪 / 软测量仪
间接质量指标 *
（ 1） 灵敏板温度,与塔顶 /塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；
（ 2） 温差信息,与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；
（ 3） 双温差信息,可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶 /塔底产品纯度均适中。
精馏塔的压力控制
F
L
D
PC
F
L
D
PC
塔顶汽相采出量 DV — 塔压 P 冷凝器冷却量 QC — 塔压 P
精馏塔物料平衡与质量控制问题精馏塔塔顶采出量 D
回流量 R
塔底采出量 B
再沸器上升蒸汽量 V
精馏段灵敏板温度 T
D
塔底液位 L
B
回流罐液位 L
R
外部扰动
(进料的流量,组成与温度等)
操作变量/控制变量 被控变量提馏段灵敏板温度
T
B
* 考虑被控过程的静态与动态特性，结合 就近原则,
可将控制问题分解简化为两个 相对 独立的子系统。
按精馏段指标的控制方案
被控变量,
TD,LR,LB (即只对塔顶产品质量指标进行控制；
而对塔底产品质量指标不作严格要求 )
控制变量,
D,R,B (而保持再沸器加热量 V为定值 )
控制结构
（ 1）方案 1,B — LB,D — LR,R — TD；
（ 2）方案 2,B — LB,R — LR,D — TD。
精馏段控制方案之一
D
LC
TC
F
B
LC
FC
FC
精馏段控制方案之二
D
LC
F
B
LC
FC
FC
TC
按提馏段指标的控制方案
被控变量,
TB,LB,LR (即只对塔底产品质量指标进行控制；
而对塔顶产品质量指标不作严格要求 )
控制变量,
V,B,D (而保持回流量 R为定值 )
控制结构
（ 1）方案 1,D — LR,B — LB,V — TB；
（ 2）方案 2,D — LR,V — LB,B — TB。
提馏段控制方案之一
D
LC
TC
F
B
LC
FCFC
提馏段控制方案之二
D
LC
F
B
LC
FC
FC
TC
按塔顶塔底两端质量指标控制
被控变量,TD,TB,LR,LB (即同时对塔顶 /
塔底产品质量指标进行控制 )
控制变量,R,V,D,B
对象特性,
=
B
D
V
R
L
L
T
T
B
R
B
D
*0**
0***
00**
00**
控制结构：
R —— TD
V —— TB
D —— LR
B —— LB
两端质量指标控制系统
TC
F
B
TC
T
B
T
D
R
V
V
1
V
2
控制方案
（ 1）若相互耦合不严重，
则可通过调节器参数的整定，使相关回路的工作频率拉开以减少关联；
（ 2）若耦合严重，则可考虑静态解耦或其他先进控制方法：变结构控制、
预测控制等。
精馏塔多回路控制系统精馏塔解耦控制系统精馏塔的其他控制方案
内回流控制,为克服冷回流返塔温度对精馏塔产品质量的影响，可采用内回流的计算指标控制；
进料热焓控制，
以克服进料温度与进料状态对产品质量的影响；
进料前馈反馈控制,
以适应进料量的变化，并提高控制质量；
浮动塔压控制,尽可能降低塔压，以节约能耗；但应相应改变灵敏板温度控制的设定，以保证产品合格。
产品质量指标的“卡边”控制,
关键技术,在线分析仪 (软测量仪 ) + 先进控制系统前馈反馈控制系统
D
F
B
FC ×
FC
TC
TC
×
